Bevezetés a mikrovezérlők programozásába: I/O portok kezelése, számrendszerek, bitműveletek

Átírás

1 Bevezetés a mikrovezérlők programozásába: I/O portok kezelése, számrendszerek, bitműveletek 1

2 Ajánlott irodalom Aduino LLC.: Arduino Language Reference ATMEL: ATmega328p mikrovezérlő adatlapja Brian W. Kernighan, Dennis Ritchie: A C programozási nyelv Cseh Róbert: Arduino programozási kézikönyv Ruzsinszki Gábor: Mikrovezérlős rendszerfejlesztés C/C++ nyelven I. PIC mikrovezérlők Ruzsinszki Gábor: Mikrovezérlős rendszerfejlesztés C/C++ nyelven II. Arduino Lab 11 projektek twoled Két LED-et felváltva villogtatunk (digitális kimenetek kezelése) twoled_fastio Két LED-et felváltva villogtatunk, közvetlen portkezeléssel. button2led Két LED felváltva világít, a kapcsoló állásától függően (digitális bemenet kezelése) 2

3 Egyszerű I/O vezérlés Digitális I/O pinmode(pin, mode) kivezetés üzemmódjának beállítása digitalwrite(pin, state) - kimenetvezérlés digitalread(pin) bemenet állapotának lekérdezése mode: OUTPUT, INPUT, INPUT_PULLUP state: LOW, HIGH Analóg I/O analogreference(ref) ADC referenciájának megadása analogread(chan) analóg-digitális konverzió eredménye analogwrite(pin) - PWM teljesítményvezérlés ref: DEFAULT (VCC), INTERNAL (1V1) vagy EXTERNAL (Arduino) Energia esetén INTERNAL helyett INTERNAL1V5 vagy INTERNAL2V5 használható 3

4 Digitális be- és kimenetek konfigurálása pinmode(pin, state) A kivezetés azonosítója Arduino: 1 13, A0 A5 MSP430: P1_0 P1_7, P2_0 P2_7 Az adatáramlás iránya OUTPUT: kimenetként viselkedik INPUT: bemenetként viselkedik INPUT_PULLUP: bemenet, felhúzással Az adatáramlás irányának beállításán kívül a fenti függvény feladata a digitális mód engedélyezése, s szükség esetén az adott lábra kapcsolódó megosztott funkciók (oszcillátor, timer, PWM, soros kommunikációs periféria, stb.) letiltása. Energia: előre definiált nevek az MSP430G2553 Launchpad kártyához RED_LED = P1_0 a piros LED-et vezérlő kimenet GREEN_LED = P1_6 a zöld LED-et vezérlő kimenet PUSH2 = P1_3 az SW2 nyomógombhoz csatlakozó kivezetés 4

5 Digitális ki/bemenetek írása/olvasása digitalwrite(pin, mode) A kivezetés azonosítója Arduino: 1 13, A0 A5 MSP430: P1_0 P1_7, P2_0 P2_7 A kimenet állapota LOW: alacsony szint ( 0 ) HIGH: magas szint ( 1 ) (Arduino: 5V, MSP430: 3.5V) digitalread(pin) Ennek a függvénynek csak egy bemenő paramétere van: az olvasni kívánt láb száma. A függvénynek van visszatérési értéke is, amely 1 vagy 0 lehet, a bemenet állapotától függően. 5

6 TwoLED: két LED-es villogó Villogtassunk két LED-et felváltva! Arduino: RED_LED legyen a D5, GREEN_LED pedig a D6 kimenetre kötve! Energia: MSP430 Launchpad kártyánál használjuk a beépített LED-eket! 6

7 twoled.ino //Hardverfüggő rész: csak Arduino kártyához kell... const int RED_LED = 5; const int GREEN_LED = 6; //Hardverfüggetlen rész (MSP430 Launchpad kártyán is futtatható!) void setup() { pinmode(red_led,output); //legyen kimenet pinmode(green_led,output); //legyen kimenet } void loop() { } digitalwrite(red_led,high; //RED_LED világít digitalwrite(green_led,low); //GREEN_LED nem világít delay(1000); //1 s várakozás digitalwrite(red_led,low); //RED_LED nem világít digitalwrite(green_led,high); //GREEN_LED világít delay(1000); //1 s várakozás 7

8 Közvetlen I/O port vezérlés Portvezérlő regiszterek ATmega168/328 (x = B, C, D) MSP430G2553 (n = 1,2) DDRx adatáramlási irány (1: kimenet, 0: bemenet) PnDIR adatáramlási irány (1: kimenet, 0: bemenet) PORTx kimeneti adatregiszter PnOUT kimeneti adatregiszter PINx olvasáskor a bemenetek pillanatnyi állapotát adja át PnIN olvasáskor a bemenetek pillanatnyi állapotát adja át A közvetlen portkezelés hátrányai Nehezebb a program áttekintése, hibakeresése Nem hordozható a program Könnyebben okozhatunk galibát, hibás működést, mellékhatást A közvetlen portkezelés előnyei Csak így oldható meg a gyors kibekapcsolás Több bit egyidejűleg ki-bekapcsolható Memóriatakarékosabb programot eredményez Forrás: 8

9 Arduino nano v3.0 9

10 twoled_fastio (Arduino) Két LED-et villogtatunk ellenütemben, közvetlen portkezeléssel Ez a program csak ATmega186, vagy ATmega328 kártyán fut (Arduino UNO, nano, mini...), MSP430 Launchpad kártyán nem, mivel a portkezelés itt hardverfüggő módon történik! RED_LED itt is a D5 lábra, GREEN_LED pedig a D6 lábra van kötve ARDUINO változat void setup() { //Kezdeti beállítások DDRD = 0b ; PORTD = 0b ; PORTD &= 0b ; } //PORTD 5 és 6 bitje legyen kimenet! //Kezdetben PORTD_5 legyen HIGH! //Kezdetben PORTD_6 legyen LOW! // a loop függvény újra és újra ismétlődik a végtelenségig void loop() { PORTD ^= 0b ; // a LED-ek állapotát átbillentjük (XOR művelettel) delay(1000); // várunk egy másodpercig } 10

11 MSP430 Launchpad : Energia Pinout Arduino/Energia logical pin # s

12 twoled_fastio (Energia) Két LED-et villogtatunk ellenütemben, közvetlen portkezeléssel Ez a program csak MSP430G2553 vagy MSP430G2452 Launchpad kártyán fut más kártyán nem, mivel a portkezelés itt hardverfüggő módon történik! RED_LED a P1_0 lábra, GREEN_LED pedig a P1_6 lábra van kötve gyárilag MSP430 Launchpad változat void setup() { //Kezdeti beállítások P1DIR = 0b ; P1OUT = 0b ; P1OUT &= 0b ; } //PORT1 0 és 6 bitje legyen kimenet! //Kezdetben P1_0 legyen HIGH! //Kezdetben P1_6 legyen LOW! // a loop függvény újra és újra ismétlődik a végtelenségig void loop() { P1OUT ^= 0b ; // a LED-ek állapotát átbillentjük (XOR művelettel) delay(1000); // várunk egy másodpercig } 12

13 Változók és adattípusok Arduino/Energia környezetben az alábbi adattípusokat használhatjuk: STDINT megfelelők (ANSI C90) int8_t uint8_t int16_t uint16_t int32_t uint32_t Változók deklarálásakor meg kell adni az adattípust és a változó nevét. Opcionálisan kezdőértéket is adhatunk a változónak. int eletkor; char name*+ = Pista vagyok ; //tömböt definiál unsigned int sum = 0; boolean animal = false; const RED_LED = 13; //A const módosító kontanst (nem módosítható értéket) jelöl 13

14 Számrendszerek, átváltások A bináris számrendszerben felírt számok bitjeit 4-es csoportokban könnyen átválthatjuk hexadecimális számjegyekké. Arduino (C/C++) programokban így írhatjuk: x = 123; //Decimális alakot x = 0x7B; //Hexadecimális alak x = 0b ; //Bináris alak Negatív számok ábrázolása 2-es komplemenssel történik Szám int8 int16-1 0xFF 0xFFFF -2 0xFE 0xFFFE -3 0xFD 0xFFFD -4 0xFC 0xFFFC 14

15 Bitműveletek a C nyelvben A C viszonylag hardverközeli nyelv, ezért fontos szerepe van a bitműveletekenek, amikor az azonos helyiértékű bitek között végzünk logikai műveleteket. Ezeket a műveleteket használhatjuk bitcsoportok törlésére, 1-be állítására, vagy logikai negálására. A jobbra/balra léptetéssel pedig gyorsan és hatékonyan oszthatunk/szorozhatunk 2 hatványaival. Bitwise Operators & (bitwise and) (bitwise or) ^ (bitwise xor) ~ (bitwise not) << (bitshift left) >> (bitshift right) Y = a & b; Y = a b; Y = a ^ b; 15

16 Összetett műveletek A C nyelv tömörségére jellemző, hogy az A = A + 1; vagy A = A * valami; helyett így is írhatjuk: A++; vagy A *= valami; Compound Operators ++ (increment) a++ a = a + 1; -- (decrement) a-- a = a - 1; += (compound addition) a += b; a = a + b; -= (compound subtraction) a -= b; a = a - b; *= (compound multiplication) a *= b; a = a * b; /= (compound division) a /= b; a = a / b; &= (compound bitwise and) a &= b; a = a & b; = (compound bitwise or) a = b; a = a b; Megjegyzés: az a++ és a-- postfix műveletek, tehát ha értékadás jobboldalán vagy logikai relációban szerepelnek, azok kiértékelésénél az a változó régi értéke lesz felhasználva, s csak utána történik az inkrementálás/dekrementálás. Ha az új (megnövelt/csökkentett) értéket akarjuk felhasználni, akkor a művelet prefix megfelelőjét kall használni: ++a, vagy --a. 16

17 Bit vagy bitcsoport 1-be állítása (BIT6 + BIT0) P1DIR = 0x41; // 0x41 = 0100_0001b Jelentése: P1DIR = P1DIR 0x41; Elv: x 1 = 1 Példa: 0 x x kiindulási érték bitmaszk eredmény 17

18 Bit vagy bitcsoport 0-ba törlése (BIT6 + BIT0) P1DIR &= ~0x41; // ~0x41 = 1011_1110b Jelentése: P1DIR = P1DIR & 0xDE; Elv: x & 0 = 0 Példa: 0 x x kiindulási érték bitmaszk eredmény 18

19 Bit vagy bitcsoport átbillentése (BIT6 + BIT0) P1DIR ^= 0x41; // 0x41 = 0100_0001b Jelentése: P1DIR = P1DIR ^ 0x41; Elv: x ^ 1 = ~x Példa: x ^ 0 = x kiindulási érték bitmaszk eredmény 19

20 Nyomógomb állapotának beolvasása Feladat: A két LED felváltva világítson, a kapcsoló állásától függően: Ha a kapcsoló nyitva van, a piros LED világítson! Ha a kapcsoló zárva van, a zöld LED világítson! Megjegyzés: Az MSP430 Launchpad kártya esetében a gyárilag ráépített LED-eket és az SW2 nyomógombot használhatjuk. Arduino kártya esetén az alábbi kapcsolást építsük meg! 20

21 button2led.ino const int RED_LED = 5; const int GREEN_LED = 6; const int PUSH2 = 3; Hardverfüggő rész, csak az Arduino kártyához kell! //Hardverfüggetlen rész (MSP430 Launchpad kártyán is futtatható!) void setup() { pinmode(red_led,output); //legyen kimenet pinmode(green_led,output); //legyen kimenet pinmode(push2,input_pullup); //Bemenet beslő felhúzással } void loop() { } boolean sw; sw = digitalread(push2); digitalwrite(red_led,sw); //beolvassuk a nyomógomb állapotát //RED_LED akkor világít, ha sw == HIGH digitalwrite(green_led,!sw); //GRENN_LED akkor világít, ha sw == LOW delay(20); //pergésmentesítő késleltetés 21